从Place连接Space助推“机械原理”一流课程建设

仝美娟，解妙霞，耿素花

（西安建筑科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710055）

一、课程建设的背景

随着社会科学技术进步对机械工程领域的极大推动，机械装备的应用范围和智能化得到了大力发展，促进了各式各样、各类型各功能现代机械装备的大量涌现和机构学研究的突飞猛进，产生了众多机械新机构（如柔顺机构、变胞机构等）、新理论（如柔顺机构学、并联机构学等）和分析设计新方法、新手段（如虚拟样机仿真技术等）。这些都为“机械原理”课程的教学与课程建设注入了新鲜血液，同时也提出了巨大挑战和新要求。

课程是专业人才培养的基础和依托，课程建设水平和教学效果决定着专业人才培养目标是否实现，决定着一流专业和一流本科建设的质量和水平，因此，课程建设在高校教学能力建设中具有举足轻重的地位和影响。2019年，我国正式推出一流课程和“双万计划”，提出建设五类“金课”，并明确了“两性一度”的标准。一流课程的核心是以目标导向、学生中心、产出导向等现代教育教学理念为基础，实现高阶能力培养的课程［1］。

二、“机械原理”一流课程建设总体方案

在全国开展的一流课程建设中，许多高校的课程建设思路与实践都值得学习。清华大学在“电路原理”课程中强调在内容质量和学习成效两个方面中既要坚守下界，又要用关键突破提高其上界，以使课程达到一流的标准和要求［2］。华东理工大学从课程教学内容的共性知识提炼，以问题的提出和解答为主线，适时地从引入和拓展新知识等方面着手，以提升“机械原理”课程教学质量［3］。西北工业大学在“机械原理”课程中，提出了将传统教学与互联网背景相结合的思路，以培养人文素养和创建新时代一流课程为目标，并致力于构建教学团队和信息技术的深度融合，打造一流精品数字化共享课程，这一举措在“机械原理”课程建设中具有一定的引领作用［4］。

“机械原理”作为一门专业基础课程，在机械学科中占据着重要位置。当代高等教育对基础课程的定位方式已经从place发展到了space。原来课程仅有一个地理定位，但是触手可及的资源迅速将学习者吸纳进了一个space里，一个可以无尽选择的空间中。当前，机械领域的发展日新月异，“万物互联”的时代给出可选择的自由度已经大到过去无法想象的程度。因而，课程要塑造自己的核心竞争力，就要建立动态发展的多方向连接的space学习空间。

当课程从place连接到space，学生可以根据自身投入的时间和学习目标等个性化需求，在space中选择适合自身发展的站位，既能为学生提供选择的自由度，又能通过课程的自我迭代推动课程成为具有高阶性、创新性和挑战度的一流课程。本研究首先根据“机械原理”课程的特点，结合企业需求和学科前沿技术，确定科学的课程体系建设目标；然后通过内容建设、组织教学、双向评价三个教学实践过程，实现多向连接的space课程体系。

三、基于place连接space的课程建设实施

在课程建设中，教学内容属于基本资源，教学组织属于基本形式，双向交流属于重要环节。“机械原理”课程主要从教学内容建设、教学组织建设和双向交流建设三个方面组织实施。

（一）教学内容建设

我国正处于全面建设社会主义现代化国家新征程的时期，工业飞速发展，科技进步日新月异。课程内容源于生产实践，随着生产与科学技术的发展，课程内容也应当做出响应，即以基本理论和方法为主体，从新理论和新方法两个方面连接space，助推机械原理学科的发展。

1.基础理论连接科技前沿理论。“机械原理”课程主要研究常用机构的工作原理和其运动学、动力学性能。面对新机械和新领域，课程内容首先应该遵循“不否定”原则，夯实机构自由度、类型综合、杆数综合等基础知识。

随着技术的发展，应将科技前沿理论逐步引入课程学习中，遵循“不止步”的原则。比如，将常用机构的内涵扩展，以及构件和运动副定义广义化，即把弹性构件、柔性机构、微小构件等引入机构中；把运动副定义也扩展到柔性铰链和广义运动副定义等。由此，学生可以更加深入理解在人的腹腔内进行外科手术的手术刀、在人的血管中爬行的微纳机械等。将机构生物化与智能化的理论引入教学，使学生理解各种仿生机构、变胞机构及变拓扑机构等；再引入机构的可控性，利用驱动元件的可控性，使机构通过有规律的输入运动实现可控的运动输出，扩展机构的应用范围，使学生能接触到串联、并联机器人以及微机电系统。随着轻型、高速机器的发展，我们不能再忽略构件弹性变形的存在。考虑构件变形引起的弹性位移很小，机构的名义位移可以用刚体机构运动分析方法求出，弹性位移使用振动理论求出。这样，在机器动力学性能方面就可以将刚性构件的研究连接至构件的弹性形变。

将机构学基础理论连接至组合机构、气、液、光、电等环节的新机构理论，能使“机械原理”课程内容保持着动态更新的状态，持续地连接科技前沿阵地。

2.解决问题的方法连接现代设计方法。伴随着控制与信息技术的引入，机构学与驱动、控制、信息等学科交叉融合，使得现代机械发生了广泛、深刻的变化，研究内容明显扩展。因而，需要引入现代设计方法解决问题。

解决某一具体问题时，要选择合适的分析与设计方法。利用商用软件比如SolidWorks、Proe/E、Adams、ANSYS等进行机构的建模、分析及仿真；利用数学软件比如Matlab或Mathematic进行机构分析。当面对新机械和新领域时，要想实现设计者自身的创造力，学习现代设计辅助工具是一种基本的解决问题方法。学习现代设计辅助工具比如SolidWorks、Proe/E、Adams、ANSYS等，一方面，能对课程的理论知识有更直观的认识和深层次的理解，为理论学习提供必要而有益的补充；另一方面，课程源于工程实践问题，课程的学习离不开工程实践问题。应用这些辅助设计工具，能将理论应用于实践中，进行创新性设计，直接提升学生分析和解决复杂工程问题等方面的能力。比如：指导学生学习ADAMS工具。另外，精度高、速度快的图解法尤其现代数学工具比如微分几何（如Lie group and Lie algebra）、旋量理论（scrow theory）、有限几何（line geometry）等应用在机构创新设计的方面，是一种高效、可靠的解决问题方法。因而，指导学生学习多种现代设计辅助工具和理论能使其具有多角度、多层次解决问题的能力。

建立这两个重要连接，使课程内容连接现代科技前沿技术，实现了课程内容“不止步”的动态化发展，有效地训练了学生的逻辑思维能力，为他们在未来的新领域中打下了创新的基础。此外，课程内容连接space的占位，可以采用严格的教学组织有效实现。

（二）教学组织建设

课程内容从place连接space，需要有效地开展教学组织的连接。教学活动是有指向性的活动，是推进一流课程的关键环节。教学组织建设主要从以下两个方面连接space。

第一，课堂教学连接MOOC（大规模在线教育）。在教学活动的重要环节中，应该遵循以学生为教学活动中心的原则，为学生提供多种选择，使学生能根据自己对学习成效的预期和可能的投入进行选择，解决学习过程中主动性的问题。

由于学生学习背景和个人自身特点等方面的差异性，不同学生对专业基础课程会产生不同层次的要求。因此，在教学过程中教师可以采用多层次的方式组织教学，学生对所学内容按照自己的投入时间和精力进行选择。课堂可以解决基本知识，MOOC突破了教学的时间和空间边界，可以解决不同层次的重点及难点问题。以“自锁问题”为例：第一层次，比较机构中摩擦力、弹簧力、惯性力、重力等多种互相作用力的大小，当驱动力小于保持力的条件成立，即F驱动≤F保持，机械装置即可维持现有状态不变；这一层次仅需在课程教学过程就可以明确课程内容的重点及难点，学生在学习过程中仅投入少量精力，就能理解自锁的基本理论。第二层次，教师结合MOOC，分析工程中各类结构形式不同的夹具、千斤顶、推力传动机构、尼龙自锁螺母等装置，进一步深究机械中自锁的各类现象并总结自锁的本质；这一层次需要学生投入较多精力，突出理论和工程实践之间的连接性，提升解决问题的能力。第三层次，学生要主动探究在特定的条件、场景下自锁的应用，比如应用了蜗杆蜗轮传动装置的自锁性能可以解决卷扬提升装置的安全性问题和地面火炮高低机传动链的磨损问题等。这一层次需要学生投入大量精力，深刻思考，突出多重专业化程度，凸显课程高阶性的特点。

建立从课堂教学到MOOC（慕课）的连接，可以促进学生的个体化发展，实现一流课程高阶性的要求。

第二，理论分析连接工程实践。在教学活动中以学生为中心时，学生在学习过程中会接触大量的现代工程问题，此时应以教师为主导，让教师为学生提供目标清晰的学习任务，使学生既在学中练，又在练中学。这一重要环节能解决学生学习积极性不足的问题。

考虑到“机械原理”课程源于工程问题，具有实践性、应用性强等特点，当课程内容连接科技前沿理论时，不仅需要发展学生的认知能力，也需要提高行动能力。因而，在组织教学中引入针对机械系统仿真的多种现代设计辅助工具（Solid-Works、ADAMS、ANSYS等），可以搭建理论与实践之间的桥梁。因而，教师有方向性地引导学生学习并使用现代设计辅助工具，就能提高学生提升分析和解决工程问题的能力。比如，在讲解机构组成与常用机构的结构设计课程内容时，对应着ADAMS技术中创建构件和运动副连接组成机构的部分，可以用汽车雨刮器和无碳小车等多个实例进行工程训练；在讲解到运动学和动力学性能分析课程内容时，对应着ADAMS技术中施加驱动（等速驱动）和对模型进行后处理部分等，可以用路面压力机的振动与噪声问题及牛头刨床提高加工精度的分析等多个实例进行工程训练。

因而，当学生使用ADAMS辅助工具时，就能进一步建立从理论分析到工程实践的连接。这一过程直接促进了学生的形象与抽象思维的发展，间接实现了一流课程创新性的要求。

（三）双向交流建设

在教学中，师生互动交流是教与学过程中的重要环节。师生双向评价即从教师评“学”连接学生评“教”，形成了一个动态交流过程，是一个师生双向交流的有效手段。

1.专家评价连接学生评价。教的过程作为一种直接知识输入，是教学的重要环节。因而，采用教学督导和同行专家对教的内容、方法和效果进行综合评价，能保障教学质量达成专业知识、能力和素质等人才培养教学目标。在教学过程中，如果“教”是供给，那么“学”就是需求。学生要提出值得思考的问题，在价值引领、知识传授、学科前沿、课后辅导和学习成效等方面对课程动态提问，进行知识输出。因而，学生对“教”的评价，能帮助他重新思考自己已知的部分，去探索未知的部分。

从专家评价连接到学生评价形成了师生双方更深层次的交流互动，这种交流模糊了教师“教”和学生“学”的边界，是一种值得探索的新型师生关系，也代表了一个先进的评价体系。另外，在教学过程中，如果“教”是供给，那么“学”就是需求，供给与需求之间的良性关系取决于学生在“教”与“学”的过程中能否积极参与。

2.教师评价“学”的结果连接“学”的过程。通常考题与知识要点对应，其目的指向水平测试［5］。因而，考试评价具有目标驱动的功能，是当前认可度较高的一种学习评价方式，属于瞬间爆发式的评价。然而，在长期的实践中，其不足之处也显而易见。在教学过程中，“学”的过程决定“学”的结果。与同学互动得越频繁，越容易让学生知道错误在哪里，学生才越能认识到自己知识和能力的不足之处，通过及时地反馈信息，促使学生有机会修正问题，从而顺利获得新知识，提高课程的总体质量。因而，需要对出现的问题进行记录、分类和反思，建立一个过程评价体系。

过程评价是另一个维度的评价方式，属于阶段持续性的评价。当学习过程的稳定性加强时，必然会有结果的稳定性。在当前的评价体系中，已将考试成绩从原来占总成绩的70%下降到40%，过程性评价从原来的20%提高到40%，实验成绩从原来10%提高到20%。加强过程评价体系在一定程度上推动了课程评价科学化的发展，然而，它天生带有评价者的主观性，需要持续优化来改进结果评价体系和客观的过程评价体系，最大化发挥课程评价在教学中的推动作用。

四、课程建设成效与持续改进

（一）成效

采用上述方式建设教材内容、科学地组织教学和评价，将“教”与“学”由place连接到space，极大地扩充了知识容量，增加了学习者可选择学习的自由度，使学生所学的专业理论具有了高阶性和创新思维能力。

（二）持续改进

由于学生个体能力的差异，部分学生对知识连接的动态模式不适应，考查结果出现了两极分化。因此，“机械原理”课程将持续优化课程体系，包括拓宽教学内容、更新教学案例、加强师生双向交流等。首先，开发更多的网络资源，有效地管理学生的学习状态，适当增加对学生学习质量的监督；其次，增加形成性评价比重，将主观形式考核和客观考核有效结合，持续跟踪学习交流反馈；最后，将课程思政与专业课程有机融合，形成协同效应。

随着机械领域向纵深化发展，“机械原理”课程建立了三个维度的多方向连接，摆脱静止的状态，呈现出动态变化的趋势。伴随“机械原理课程建设的深入推进，课程体系会不断迭代，助推着“机械原理”始终处于一流课程的领先地位。